00-Kanalopati-ig3

NÖROLOJİK KANALOPATİLERMEKANİZMALAR
ÇÜ Tıp Fak Biyofizik AbD - 2016
Kanalopatiler
Tanım: İyon kanal mutasyonlarının neden olduğu bir hastalıktır.

Neden oldukları bilinen hastalık sayısı (>30 hastalık) gittikçe
artmaktadır.
 Pek çok mutasyon yeri benzer kanalopatiye
neden
olabilmektedir, örneğin cystic fibrosis te CFTR nin >1000 farklı
mutasyonu tanımlanmıştır.
Kanalopatiler
Kanalopati, iyon kanal bozukluğunun neden olduğu bir hastalıktır.
Kanalopatiler potasyum, sodyum, klor ve kalsiyum iyon kanallarını
kapsamaktadır. Asetilkolin reseptörü, glisin reseptörü ve diğer
reseptörlerin de neden olduğu kanalopatiler vardır. Her kanalopati
çok sayıda farklı hastalıkta rol oynar. Örneğin, kalsiyum nöropatileri
familial hemiplejik migren, hipokalamik periyodik paralizi tip I,
kongenital gece körlüğü ve daha çok sayıda hastalığa neden
olmaktadır. Kardiyak ritimlerindeki anormalliklere de kanalopatiler
neden olabilmektedir. Örnek Brugada sendromu .
Kanalopatilerin neden olduğu hastalıklar konjenital (genellikle
kotlama yapan genlerdeki mutasyonlardan veya mutasyondan
meydana gelir) veya kazanılmış, sonradan olmuş (bir iyon
kanalındaki otoimmün bir saldırıdan meydana gelmiş) olabilir.
Kanal Özellikleri

Sinir sisteminde, kanalların
koordinasyonlu aktivasyonu aksiyon
potansiyellerini, postsinaptik
potansiyelleri, pacemaker
potansiyellerini yaratır.

Ayrıca, epitel transportuna aracılık
eder, kimyasal sinyalleri dönüştürür
ve hücre içi iyon konsantrasyonlarını
düzenler.

Kanallar elektrokimyasal gradiyentler
yönünde iyon hareketine aracılık
ederler.

Kanal geçirgenliğinin X iyonuna
aktivasyonu zar potansiyelini EX e
doğru kaydırır.
Kanal Fonksiyonu
İyon kanalları sürekli açık kalmazlar fakat stokastik veya
rastgele şekilde açılırlar ve kapanırlar. Açık kalma zamanını
(o) azaltarak, kapalı kalma zamanını (c) uzatarak, tek kanal
akım genliğini (i) düşürerek veya kanal sayısını (n) azaltarak
iyon kanal fonksiyonu azaltılabilir.
Akım
Zaman
Açık
Kapalı
Kanalopatiler
Kanal bozukluğunun moleküler mekanizmaları
IV. Kapılama
III. İletim
I. Üretim
II. İşlem
(proses)
İnsan Kanalopatileri
Ptacek, L. J. et al.
Arch Neurol
2004;61:16651668.
Kanalopatiler
Yeni eklenenler:
Epilepsi yok
GABAA 2 altbirimi
GABA kanalı
Ateşli konvülsiyonlar
Ağrılı nöropati
Nav1.7
Na kanalı
Ayrıca:
Hayvanlarda insan hastalıklarını taklit eden pek çok hastalık görülür
Örnek: sağırlık L-tipi VACC kanalı
GPCT duyarsızlığının bir sonucu olarak bilinen hastalık durumları
çoğunlukla iyon kanallarıyla ilgilidir.
Örnek: otozomal dominant hipokalsemi
CaR
Kanalopatiler- Genel Karakteristikleri
 Mutasyon devam etse de hastalık, periyodik paraliziler
gibi
epizotlar (bölümler) halinde veya spinoserebral ataksi gibi
ilerleyen şeklinde olabilir.
 Farklı hastalık durumlarında aynı
kanal anormallikleri ile
karşılaşılır.
 Farklı kanallardaki lezyonlar aynı
örneğin periyodik paralizi.
hastalığa yol açabilir,
Hedefler: Voltaj-kapılı iyon kanalı alfa altbirim şeması
Periyodik paralizi, Epilepsi,
Uzun QT sendromu
Periyodik paralizi,
Epizotik Ataksi,
Epilepsi, Uzun QT
sendromu
Periyodik paralizi,
Epizotik Ataksi, Epilepsi,
Familial Hemiplefik Migren
Ptacek, L. J. et al. Arch Neurol 2004;61:1665-1668.
4 alan, 6 zarı-geçen
(köprülü) kısım
Periyodik Paralizi (Felç)
●
●
●
●
AD kalıtsal
PP (periyodik paralizi) bütün veya bazı kasları tutan
paroxysmal zayıflık olarak belirir.
Epizot esnasında kan [K] ile belirlenir.
Hiperkalemik (Yüksek K), normokalemik veya hipokalemik
(düşük K)
Hiperkalemik Periyodik Paralizi (Felç)
●
●
●
●
●
Çok yaygın periyodik paralizi (PP)
Kısa zayıflık periyodu (1-2 saat), ilerleyen kalıcı zayıflık
olmaz, genç başlama yaşı (>10 yıl)
Tetikleyiciler- egzersiz sonrası dinlenme, soğuk, stres, K
alınması (yeme), oruç tutma.
Myotonia- sürekli istemsiz kas kasılması
Büyük çoğunlukla Na kanal mutasyonlarının fonksiyon
kazanması neden olur.
HiperPP nin altında Na+ kanallarının çiftlenmemiş
inaktivasyonu yatar.
Normal NaCh ı inaktivasyon
yüzünden hızlıca açılır ve
kapanır.
HiperPP de NaCh daha
yavaş kapanır ve yeniden
açılır.
Mutant iskelet kası lifi (Met
1592 Val)
Cannon,1991
HiperPP nin altında Na kanallarının çiftlenmemiş
inaktivasyonu yatar.
İnaktivasyondan dönüş (kurtulma), I 693 T kanallarında hızlanmıştır.
WT ve mutant whole cell Na akımları
(WT)
Hayward, L. J. et al. Neurology 1999;52:1447
(mutant)
Yavaş veya hızlı inaktivasyondan dönüş (kurtulma)
hiperkalemik periyodik paraliziyle ilişkisi olan
mutasyonlar ile hızlandırılmıştır.
Hayward, L. J. et al. Neurology 1999;52:1447
Na kanallarının çiftlenmemiş inaktivasyonu
HiperPP de görülen Myotonia ya neden olur
Kontrol
Anemon Zehiri
Myotonik Distrofi nedir?
Myotonik distrofi, kasların
zayıflamasına ve erimesine
neden olur. Bu hastalık
genellikle yavaş gelişir.
Myotonik distrofi (myotonic
dystrophy), kalıtsal bir
genetik (genetic) hastalıktır.
Genetik hastalıklara değişim
geçirmiş bir veya daha fazla
gen (gene) neden olur.
Cannon,1991
Bazal Na kanal aktivite düzeyi model kas
hücresinde ateşleme desenini belirler
Miyotonia konjenita
kas iyon kanalı
hastalıklarından,
ilerleyici olmayan,
miyotoni ve kas
hipertrofisi ile
karakterize bir
hastalıktır.
Cannon,1991
Hipokalemik Periyodik Paralizi (Felç)
●
●
●
●
Daha uzun zayıflık periyodu, muhtemel ilerleyen kalıcı
zayıflık, başlama yaşı (>20 yıl)
Tetikleyiciler- karbonhidrat yemeği sonrası, veya Na-zengini
besin
Myotonia yok
Büyük çoğunlukla Ca kanal fonksiyonunun kaybı veya daha
az olarak Nav1.4 kanallarının değiştirilmiş voltaj sensörü
neden olur.
Cav 1.1 in iskelet kası fonksiyonları
• L-tipi kanal veya
dihidropiridin reseptörü.
• İskelet kasında bulunur.
• Triad larda bulunur ve SR
ile T-tüplerini bağlar.
• Uyarılma-kasılma
çiftlenimi için zorunludur.
İskelet kasının ince yapısı (enine ve boyuna).
Oklar RyR-Cav1.1 komplekslerini göstermektedir.
From Hille, 2001
• Cav1.1 ler kasılamazlar
fakat kanallar tarafından
korunurlar.
Cav 1.1 in İskelet Kası Fonksiyonları
[Ca]i de yükselmeyi ve
kasılmayı başlatmak için RyR
(SR deki Ca kanalları) de voltaj
algılanmasına aracılık eder.
Ca-girişi önemli değildir:
•Ca-free Ringer içinde kas
kasılırken ve
•Akım aktivasyonu çok yavaş
1-2 s den uzun olduğu zaman.
From Hille, 2001
Cav1.1 mutantları Hipokalemik Periyodik
Paralizide azaltılmış VACC akımına sahiptir.
Bu azaltılmış
aktivitenin
HipoPP ye
nasıl neden
olduğu
bilinmemekte
dir.
Morrill and Cannon,1999
HipoPP nin bazı vakalarında Na+ akım inaktivasyonu
sola-kaymış ve aktivasyon sağa-kaymıştır.
WT vs R666G
Fakat bu baskılayıcı etki, voltaj
sensördeki (S4) pozitif yüklü arginine
nin kaybolmasındaki dominant
kalıtsal deseni açıklamaz.
Sokolov et al, 2007
HipoPP Na+ kanalı kapılama delik (pore)
akımı negatif potansiyellerde artar.
WT vs R666G
Sokolov et al, 2007
HipoPP de kas kasılmasını azaltmak için kapılama
delik (pore) Na+ akımı zar potansiyelini depolarize
eder ve [Na]İ yi yükseltir.
R666G ve diğer HipoPP mutantlarda kapılama kanalı Ca2+ u
dışarı atar fakat monovalentlere geçirgendir.
Nav1.4 kanallarının voltaj sensör mutasyonu : Hipokalemik
Periyodik Paralizinin daha az yaygın nedenidir.
●
●
●
●
●
●
Sokolov et al, 2007
Nav1.4 kanallarında voltaj
sensörleri (mavi) merkez deliği
sarmışlardır.
Pozitif yüklü arginine nin yok
olması RMP de kapılama delik
akımına yol açar.
HipoPP ile kasılmanın devam
ettirilememesini açıklar.
Fonksiyon kazancı dominant
kalıtımı açıklar.
Artmış bazal enerji gereksinimi
kronik miyopatiye neden olabilir
mi?
Diğer kanalopatiler voltaj sensör
mutasyonlarına sahiplerdir.
VACC-opatiler
 Sinir,
kas ve endokrin hücrelerinde bulunurlar.
 Transmitter salınmasını, nöronlarda
plastisite ve gen
ekspresyonunu, kas kasılmasını, hormon salınmasını
tetikler.
 Dihidropridinler,
diltiazem, verapamil, yeni analjezikler
(SNX-111) için hedeftir.
VACC ler heterolog multimerlerdir
- Her alfa1 altbirimi, her biri 6 transmembran kısmından oluşmuş
(1,2,3,4,5,6) 4 tekrarlanan homolog alana (I, II, III, IV) sahiptir.
- Alfa1 diğer altbirimler tarafından modüle edilmektedir.
CAV2.1 in Kanalopatileri
Çakışma yüzdesi
P/Q Kanalının Ayrı Mutasyonlarından
Üç Farklı Hastalık
 Familial Hemiplegic Migraine
(FHM) Ateş basma (aura),
deri duyarlığında artış (paraesthesia), hemipleji
(hemiplegia), hemianopia veya dysphasia lı aralıklı baş
ağrısı.
 Episodic Ataxia type
2 (EA2) Aralıklı serebellar
bozukluklar, vertigo, diplopia and nystagmus dahil. Hafif
ilerleyen serebellar atrofi. Bazen inme ile karıştırılır.
 Spinocerebellar Ataxia type
dejenerasyon.
6 (SCA6) İlerleyen serebellar
Alfa 1A Mutant Hastalıklarının Karşılaştırılması.
FHM
EA2
SCA6
Mutasyon
missense
Premature stop
kodonu ve
yapışık konum
mutasyonu
CAG tekrar
Protein
Nokta mutasyonu
Güdük kalmış
kanal
Değişmiş C-dalı &
Polyglutamine
Kalıtım deseni
Dominant
Dominant
Dominant
Fonksiyona
etkisi
Değişmiş I Ca
yoğunluğu. I-V sola
kayar.
Non-fonksiyonel
kanal
Azaltılmış P/Q yüzey
ekspresyonu ve
değiştirilmiş
in/aktivasyon.
Polyglutamine toksik mi?
Hastalığın mekanizması belli değildir.
Null mutant fare anlamayı kolaylaştırabilir.
Bu Kanalopatilerin Bir Hayvan Modeli.
A1A altbirim yokluğunda serebellum gelişir
Cerebellar vermis
WT
a 1A-/-
Kanal yokluğu fonksiyonu nasıl etkiler?
PN
.
Alfa1A-/- faresinde bulunmayan nöbetler (seizure)
Serbestçe dolaşan farenin korteksinden EEG kayıtları
- Bulunmayan nöbetler, episodic ataxia
type 2 li insanlarda görülür
- T-tipi kanalların birlikte silinmesi EEG
değişimlerinin ve nöbetlerin
bulunmamasına yol açar.
Song, I. et al. J. Neurosci. 2004;24:5249-5257
Copyright ©2004 Society for Neuroscience
Koordinasyon kaybı Alfa1A-/- fare Purkinje Nöronlarında
(PN) bulunmayan P/Q akımlarının bir sonucu mu?
Nim, GVIA
Aga IVB
Nim
GVIA
400
+/+
Aga IVB
I
Ba
(pA)
800
0
100
200
400 pA
Control
300
400
I
GVIA
-/-
Aga IVB
Nim
Nim
GVIA
Ba
(pA)
20 ms
0
0
100 200 300
Time (s)
Aga IVB
Control
Purkinje Nöronlarında (PN) toplam akım yoğunluğu
P-tipi akımların elimine edilmeleri yüzünden azalmıştır,
fakat L- ve N-tipi akım yoğunlukları artmıştır.
100
50
IBa (pA/pF)
I Ba (pA/pF)
100
+/+
+/-/-
50
*
*
0
Total
*
*
P
*
*
*
*
0
Total
P
L
N
Other
Alfa1A-/- faresinin hipocampusunda sinaptik iletim tam
fakat değişmiştir.
Jun, Kisun et al. (1999) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 96, 15245-15250
Sinir sisteminin pek çok yerinde VACC yoğunluğu ve tipi değiştiği
halde hastalığın mekanizması hala belli değildir.
Copyright ©1999 by the National Academy of Sciences
EA2 ye benzer null mutant
P/Q null
FHM
EA2
SCA6
Mutasyon
Null mutant
missense
Premature stop CAG tekrar
kodonu &
yapışık konum
mutasyonu
Protein
Bulunmaz
Nokta
mutasyonu
Güdük kalmış
kanal
Değişmiş C-dalı &
Polyglutamine
Kalıtım
deseni
Recessive
Dominant
Dominant
Dominant
Fonksiyon
a etkisi
Bulunmayan
P/Q akımları
Değişmiş I Ca
yoğunluğu.
Shift I-V sola
kayar
Nonfonksiyonel
kanal
Azalmış P/Q yüzey
ekspresyonu ve
değişmiş
in/aktivasyon.
Polyglutamine
toksik mi?
Mekanizma Hala Belirsiz
Alfa 1A mutasyonları hastalık durumuna nasıl yol açar?
•Somada zayıf koordinasyon çiftlenmemiş sinaptik iletimin
veya azalmış akım yoğunluğunun sonucu mu?
•Sıçan, fare, tavşan ve insan mutasyonlarından kayıtlanan
akımlar farklı etkilenmektedirler.
Nöronal fonksiyonun daha iyi anlaşılması gerekir, örneğin
Purkinje hücre ateşleme deseni (Walter and Khodakhah ya
bakın).
Alfa 1A mutasyonları hastalık durumuna nasıl yol açar?
Giriş:
•Purkinje nöron AP i cerebellar çıktı gösterir
•Purkinje (P)-hücrelerinde sadece P/Q kanalları Ca-ile aktive olan
K kanallarını aktive eder
•Pacemaker hızı afterhiperpolarizasyon tarafından belirlenir
Hipotez: Endojen pacemaker hızı Ca-ile aktive olan K kanalları
tarafından ayarlanır. APler , P/Q kanallarını aktive ederler, Ca-ile
aktive olan K kanallarını aktive eden Ca un girmesine izin verir. Bu
yüzden ardışık hiperpolarizasyon ve hız normal P/Q kanal
fonksiyonuna bağlıdır.
Ca-ile aktive olan K kanallarının modülasyonunu tartışmak için
çeşitli alfa 1A mutasyonlu ataksik fare kullanmak P hücrelerinde
intrinsik pacemaker aktivitesini korumanın anahtarıdır.
Çok sayıda ölçüm P/Q mutasyonlu ataksik farede Purkinje
hücre ateşlemesinin düzensiz olduğunu doğrulamaktadır.
Walter et al., 2006
SK nın EBIO ile aktivasyonu Purkinje hücre
hassasiyetini geliştirir
Walter et al., 2006
SK nın EBIO ile aktivasyonu Ducky faresinin
motor performansını geliştirir
Rotarod
Denge çubuğu
Walter et al., 2006
P/Q VAC Kanalopatileri
 KO faresi Episodic Ataxia T2 ye
 Diğer VACC tarafından
benzer.
kompanzasyonu yeterli değildir.
 Azalmış P/Q akımı ataksiye nasıl neden olur-
afterhiperpolarizasyon kaybolduğu halde P hücre çıktısı
düzensizdir.
Özet
 Kanal mutasyonlarının neden olduğu hastalıklar gittikçe
daha fazla tanınmaktadır.
 Çok sayıda kanalopati, sürekli anormal kanalların
bulunmasına rağmen epizodiktir.
 Bazı hastalıkların tetikleyicileri tanınmıştır.
 Aynı kanaldaki anormalliklere farklı hastalık durumlarında
karşılaşılır.
 Farklı kanallardaki lezyonlar aynı hastalıklara yol açabilirler,
örnek periyodik paralizi.
 Mutasyonun belirlenmesine rağmen hastalık mekanizması
çoğunlukla bilinmemektedir.